华电自动控制原理课程设计.docx

1、华电自动控制原理课程设计科技学院课程设计报告( 2015- 2016 年度 第 一 学期)名 称： 自动控制理论课程设计 题 目：基于自动控制理论的性能分析与校正院 系： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 1周 成 绩： 日期： 2016 年 1 月 15 日1、课程设计的目的与要求1、目的与要求本课程为自动控制理论A的课程设计，是课堂的深化。设置自动控制理论A课程设计的目的是使MATLAB成为学生的基本技能，熟悉MATLAB这一解决具体工程问题的标准软件，能熟练地应用MATLAB软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题，并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论

2、等奠定基础。作为自动化专业的学生很有必要学会应用这一强大的工具，并掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能，以达到加深对课堂上所讲内容理解的目的。通过使用这一软件工具把学生从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。通过此次计算机辅助设计，学生应达到以下的基本要求：1.能用MATLAB软件分析复杂和实际的控制系统。2.能用MATLAB软件设计控制系统以满足具体的性能指标要求。3.能灵活应用MATLAB的CONTROL SYSTEM 工具箱和SIMULINK仿真软件，分析系统的性能。2、 主要内容1前期基础知识，主要包括MATLAB系统

3、要素，MATLAB语言的变量与语句，MATLAB的矩阵和矩阵元素，数值输入与输出格式，MATLAB系统工作空间信息，以及MATLAB的在线帮助功能等。2控制系统模型，主要包括模型建立、模型变换、模型简化，Laplace变换等等。3控制系统的时域分析，主要包括系统的各种响应、性能指标的获取、零极点对系统性能的影响、高阶系统的近似研究，控制系统的稳定性分析，控制系统的稳态误差的求取。4控制系统的根轨迹分析，主要包括多回路系统的根轨迹、零度根轨迹、纯迟延系统根轨迹和控制系统的根轨迹分析。5控制系统的频域分析，主要包括系统Bode图、Nyquist图、稳定性判据和系统的频域响应。6控制系统的校正，主要

4、包括根轨迹法超前校正、频域法超前校正、频域法滞后校正以及校正前后的性能分析。3、 进度计划序号设计内容完成时间备注1基础知识、数学模型2016年1月11日2时域分析法、频域分析2016年1月12日3根轨迹分析、系统校正2016年1月13日4整理打印课程设计报告2016年1月14日5答辩2016年1月15日4、 设计成果要求上机用MATLAB编程解题，从教材或参考书中选题，控制系统模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹分析法、控制系统的频域分析法每章选择两道题。第六章校正选四道，其中根轨迹超前校正一道、根轨迹滞后校正一道、频域法超前校正一道、频域法滞后校正一道。并针对上机情况打印课程设计报

5、告。课程设计报告包括题目、解题过程及程序清单和最后的运行结果（曲线），课程设计总结或结论以及参考文献。5、 考核方式自动控制理论课程设计的成绩评定方法如下： 根据1打印的课程设计报告。 2独立工作能力及设计过程的表现。3答辩时回答问题的情况。成绩评分为优、良、中、及格以及不及格5等。 学生姓名： 指导教师： 2016年 1 月 15 日二、设计正文2-1.已知系统的传递函数为，在MATLAB环境下获得其连续传递函数形式模型。已知系统的脉冲传递函数为，在MATLAB环境下获得其采样时间为4s的传递函数形势模型。解：num=10 2;den=1 0.1;G1=tf(num,den);Ts=4;G2

6、=tf(num,den,Ts)G2 = 10 z + 2 - z + 0.12-2.求解微分方程组，解：x,y=dsolve(3*Dx+y=9,-1*x+4*Dy+2*y=0,x(0)=0,y(0)=5)x = 18 - (38*3(1/2)*sin(3(1/2)*t)/12)/(3*exp(t)(1/4) - (18*cos(3(1/2)*t)/12)/exp(t)(1/4) y = 9 - (14*3(1/2)*sin(3(1/2)*t)/12)/exp(t)(1/4) - (4*cos(3(1/2)*t)/12)/exp(t)(1/4)3-1.单位负反馈系统的开环传递函数，试求：系统的单

7、位阶跃响应；解：num=4; den=conv(1 0,1 2); G1=tf(num,den);G11=feedback(G1,1); t=0:0.1:20; y=step(G11,t); plot(t,y,k); title(step tespond curve); text(20.5,0,s); grid on; l=length(y);3-2.已知闭环系统特征方程如下，判定系统稳定性及根的分布情况。 (1) s3+20s2+9s+100=0 (2) s3+20s2+9s+200=0 (3) s4+2s3+8s2+4s+3=0 (4) s5+12s4+44s3+48s2+5s+1=0解：

8、(1)d=1 20 9 100; r=roots(d) r=-19.8005 + 0.0000i -0.0997 + 2.2451i -0.0997 - 2.2451i三个根都分布在左半平面，系统稳定(2)d=1 20 9 200; r=roots(d) r=-20.0487 + 0.0000i 0.0243 + 3.1583i 0.0243 - 3.1583i三个根分布在右半平面，系统不稳定(3)d=1 2 8 4 3; r=roots(d) r=-0.7555 + 2.5001i -0.7555 - 2.5001i -0.2445 + 0.6165i -0.2445 - 0.6165i四个

9、根分布在左半平面，系统稳定(4)d=2 12 44 48 5 1; r=roots(d) r=-2.2201 + 3.1603i -2.2201 - 3.1603i -1.4680 + 0.0000i -0.0459 + 0.1440i -0.0459 - 0.1440i五个根分布在左半平面，系统稳定4-1.已知单位负反馈系统的开环传递函数为 试绘制K由0变化的闭环根轨迹。解：num=conv(1 5,2 8);den1=conv(2 1,2 1);den2=conv(1 0,1 0);den=conv(den1,den2);rlocus(num,den)4-2.已知单位负反馈系统的开环传递函

10、数为 绘制K由0变化的根轨迹。解：num=2 6;den1=4 3;den2=1 0;den=conv(den1,den2);rlocus(num,den)5-1.已知系统的传递函数为 绘制系统的伯德图，并求相位裕量。解：den=0.2 4 3;Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(4,den);bode(4,den);s=num2str(4);gtext(s); pause; hold on5-2.已知系统的传递函数为，试绘制系统的开环幅相频率特性曲线。解:num=100 200;den=conv(1 0,conv(1 1,1 20);nyquist(num,den)6-1.根轨迹超前已

11、知系统和传递函数为，比例参数的取值范围是0到，要求系统的动态性能指标为%20%，ts10s,设计一个串联校正装置解：den1=conv(1 0,1 1);den=conv(den1,0.8 1);num=1;G=tf(num,den);rltool(G);校正前阶跃响应曲线den=conv(1 1 0,0.8 1);num=1;G=tf(num,den);G1=feedback(G,1);step(G1)校正后根轨迹校正后阶跃响应曲线6-2.根轨迹滞后已知系统传递函数，采用单位负反馈，系统的动态性能已经满足要求，现在求系统的速度误差系数不小于9。解：校正前根轨迹den1=conv(1 1 0,

12、1 3);num=3;G=tf(num,den);rltool(G);校正前阶跃响应den=conv(1 1 0,1 3);num=3;G=tf(num,den);G1=feedback(G,1);step(G1)校正后根轨迹校正后阶跃响应曲线6-3.频率超前已知单位负反馈系统的开环传递函数为设计串联超前校正装置，使系统指标满足单位斜坡输入信号时稳态误差ess0.1%，相位裕度45，穿越频率c150rad/s解：绘制校正前Bode图num=1000;den=conv(0.1 1 0,0.001 1);margin(num,den)校正前补偿角 =45- 0+7= 52; 校正参数aa=(1+s

13、in(*pi/180 )/(1-sin(*pi/180 )=8.43;令m =160；T=1/(sqrt(a)* m )T =0.0022nc=8.43*T 1;dc=T 1;n=conv(num,nc);d=conv(den,dc);margin(n,d)校正前后的阶跃响应曲线n1,d1=feedback(num,den,1,1);n2,d2=feedback(n,d,1,1);G1=tf(n1,d1);G2=tf(n2,d2);figure(1)step(G1,k)figure(2)step(G2,r)6-4.频率滞后已知单位负反馈系统的开环传递函数为，设计校正装置使校正后的系统相位裕量4

14、0，在r(t)=t时，ess解：绘制校正前Bode图num=30;den=conv(1 0,conv(0.1 1,0.2 1);figure(1)margin(num,den)grid ona=11.1T=3.7;nc=T 1;dc=a*T 1;n=conv(num,nc);d=conv(den,dc);figure(2)margin(n,d)grid on校正前后阶跃曲线如下t1=0:0.1:5;G1=tf(num,den);G11=feedback(G1,1);step(G11,t1);G2=tf(n,d);G22=feedback(G2,1)figure(2);hold on;t2=0:1.1:20; step(G22,t2)3、课程设计总结通过一周的课程设计，不仅学习到了控制系统的另一种解法，也对MATLAB有了一定的了解和使用。对自动控制理论有了更加深刻的理解。四、参考文献 自动控制理论 孙建平、于希宁 中国电力出版社 2008版